冬小麥不完善粒氣象條件危險性指數研究

成 林, 郭康軍, 申曉晴, 商東耀

(1.中國氣象局·河南省農業氣象保障與應用技術重點實驗室,鄭州 450003;2.河南省氣象科學研究所,鄭州 450003; 3.周口市氣象局,河南 周口 466000)

引 言

冬小麥是我國重要的口糧和商品糧,收獲時的籽粒質量直接決定著商品麥的價值,影響著農民的經濟收入。不完善粒作為小麥質量的限制指標,是小麥破損粒、病斑粒、生芽粒、生霉粒和蟲蝕粒的總稱,是小麥收購質量檢驗的重要依據,它不僅與小麥的等級和價格密切相關,還對后期的儲藏和加工有很大影響[1-2]。隨著農藝農技水平的不斷提高,目前小麥物理損傷不完善粒(蟲蝕粒、破損粒)基本可控可防,而生化變化不完善粒(病斑粒、生芽粒和霉變粒)產生的原因較為復雜[3],其中灌漿至成熟收獲期的天氣狀況被公認為是影響不完善粒的重要因素。近年來,我國冬小麥籽粒形成期常常遭遇陰雨、寡照等災害性天氣,造成小麥品質不同程度的降低。例如2009年[4]、2016年等年份,冬小麥第一大省的河南東部、南部等地均出現了新收獲小麥不完善粒高于8%,小麥價格偏低的情況。2023年5月20-22日、25-30日、6月2-4日,河南省出現3輪較大范圍降水過程,強降水與冬小麥成熟收獲期高度重疊,造成上千萬畝冬小麥出現不同程度穗發芽、霉變,氣象、農業專家研判此次過程為1961年以來對河南省冬小麥影響最為嚴重的連陰雨天氣。因不利氣象條件導致冬小麥品質下降,不符合托市收購質量標準,嚴重影響了農民收益。因此,對造成籽粒不完善粒的氣象因素進行具體分析,明確引起不完善粒偏高的具體氣象條件,有利于相關部門及時發布風險預警,積極采取有效措施,對避免或減輕不完善粒偏高造成的損失,具有現實的生產意義。

近年來,氣象條件對冬小麥品質的影響受到國內外專家學者的廣泛關注,并進行了大量的科學試驗和研究分析。目前普遍認為,灌漿期適當的氣溫有利于提升灌漿速率,提高籽粒千粒重和容重。同時,氣溫影響根系對氮素的吸收、植株體內蛋白酶活性和蛋白質降解度,適當的高溫可促使根系從土壤中吸收較多的氮素,但氣溫過高則造成蛋白質下降,氣溫過低則光合強度減弱,籽粒營養物質積累不足[5],影響籽粒的飽滿度[6]。適宜的土壤水分對小麥籽粒灌漿有利,但降水量往往與籽粒蛋白質等品質指標呈負相關,尤其成熟收獲期間的陰雨天氣,致使冬小麥籽粒營養物質氧化分解造成生芽粒偏多、霉變粒率偏高。日照條件對冬小麥品質的影響相對復雜,部分研究認為,灌漿中期的光照條件與籽粒品質形成較為密切,遮陰導致千粒重、容重和產量降低,但能增強小麥粉的筋性和個別內在品質[7]。

總體來看,大量的研究基本探明了單一氣象因子對冬小麥品質影響的規律,揭示了不同品質指標對不同氣象因子變化的響應特征,但冬小麥質量和內在品質往往與多個要素的協同影響有關,對冬小麥價格起關鍵作用的品質指標受不同氣象因子的影響程度目前尚不明確。因此,本研究收集整理了2008-2021年河南省部分縣(市)冬小麥收獲期不完善粒信息的文獻和對應氣象資料,通過構建不完善粒氣象條件危險性指標,定量評價復合氣象因子對籽粒不完善粒的影響,為提前發布氣象預報預警、及時采取有效應對措施提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本研究所用2008-2021年河南省不同地市冬小麥收獲期大田測定的不完善粒資料,主要來源于文獻[8—16],以及近年來河南省糧食和物資儲備局及部分市糧食部門發布的收獲小麥質量品質報告,整理出包括31個市(縣)(圖1)的資料共138份,包括生芽率、生霉率和不完善?？偭?。根據國家標準《小麥》(GB1354-2008)中規定的分類(表1),138份樣本中,不完善?！?.0%的樣本為92個,占66.7%,>10%的樣本為20個,占14.5%。2008-2021年對應市(縣)冬小麥發育期觀測資料、生長季內逐日氣象資料,包括日平均氣溫T(℃)、日最高氣溫Tmax(℃)、日最低氣溫Tmin(℃)、日降水量R(mm)、日照時數S(h)和空氣相對濕度U(%)等,來源于河南省氣象局。

表1 小麥質量等級

圖1 樣點分布圖

1.2 分析方法

1.2.1 差異性比較

根據地理和氣候生態類型,將整個河南省劃分為豫北、豫西、豫中、豫東和豫南5個區域,利用最小顯著性差異法(LSD法),分別檢驗不同區域之間不完善粒和氣象因子的差異性及差異的顯著性。對差異不顯著的區域,進行合并分析。

1.2.2 分析時段

冬小麥臨近成熟,以及收獲期間的氣象條件對冬小麥籽粒質量有重要影響[17]。根據河南省農業氣象觀測站2008-2021年觀測的冬小麥開花普遍期和成熟期,各地4月下旬從南向北陸續進入開花普遍期,至成熟期間隔時間在35天左右(表2)。為明確對不完善粒影響最關鍵的時段,分別統計不同區域成熟前10天、成熟前15天、成熟前20天氣象條件與籽粒不完善粒的關系。具體分析時期見表2。

表2 不同區域小麥開花和成熟普遍期

1.2.3 不完善粒氣象條件危險性指數

分別計算各區域小麥成熟前10天內、15天內、20天內的平均氣溫T(℃)、平均日最高氣溫Tmax(℃)、平均日最低氣溫Tmin(℃)、累計降水量R(mm)、平均日照時數S(h)和平均空氣相對濕度U(%),并統計各時段內降水量>0.1 mm的累計日數D(天)和連續降水日數L(d)。對不完善粒和氣象因子作Person相關分析,重點分析相關系數通過0.05顯著性檢驗的氣象因子。參考生活氣象指數的設計方法[18-20],將多個氣象因子對不完善粒的影響量化為指數表達,表達式為

(1)

式中,E(Xi) 為第i個主導氣象因子Xi的分級值,wi為權重系數,利用熵權法確定,計算步驟如下。

構建標準化矩陣:

N=[xij]n×m

(2)

式中,n為行,m為列,i為第i行,j為第j列,xij為正向指標或負向指標,當某氣象因子越大其影響越有利時,采用正向指標:

(3)

反之,計算負向指標:

(4)

x′ij為因子的原始值,Max(x′ij)和Min(x′ij)分別代表該序列的最大值和最小值。

第j項氣象因子的第i個樣本值占該指標的比重為

(5)

第j項指標(列)的熵值為

其中

第j項指標(列)的權重為

(6)

2 結果與分析

2.1 不同區域冬小麥不完善粒特征

從參與分析的樣本來看,各地冬小麥平均不完善粒為6.5%,平均生芽率為3.86%、生霉率為0.5%。各地區不完善粒的均值:豫北為4.14%,豫西為4.11%,豫中為5.99%,豫東為5.07%,豫南為10.78%。2010、2013、2016年等年份,多地出現不完善粒偏高的情況,個別地區不完善粒超過20%,主要是由生芽率普遍偏高導致。表3列出了不同區域不完善粒差異性的LSD檢驗結果。由表3可以看出,豫北、豫西和豫中三地區之間不完善粒的均值差為0.03～1.88,差異顯著性值均超過0.05,表明三個區域之間的不完善粒差異不明顯;豫南和其他4個區域不完善粒均值差為4.8～6.7,差異顯著性均在0.05以下,表明差異通過顯著性檢驗。

表3 不同區域冬小麥不完善性差異顯著性檢驗

2.2 不同區域冬小麥成熟前氣象條件差異

分別對各區域小麥成熟前10天、成熟前15天和成熟前20天內的氣象因子進行差異性檢驗,發現不完善粒差異不明顯的區域,大部分氣象因子不同年份之間差異顯著;不完善粒差異明顯的區域,降水總量、連續降水日數和累計降水日數差異并不顯著,說明降水并不是造成不完善粒區域間差異的關鍵,而氣溫、日照時數和空氣相對濕度在不同區域間存在一定差異。以各地冬小麥成熟前15天內的氣象條件為例,豫南地區的平均氣溫、日照時數和空氣相對濕度與其他地區的差異均通過0.05顯著性檢驗,同時,豫東地區的平均氣溫也與豫北、豫中地區的差異顯著,日照條件又與豫北和豫南地區的差異顯著(表4),而豫北、豫西和豫中的大部分因子差異不顯著(表略)。

表4 不同區域冬小麥成熟前15天內主要氣象因子的差異顯著性檢驗

2.3 氣象條件影響不完善粒的關鍵時段

根據上面的分析,考慮不完善粒的區域間差異和氣象因子的區域間差異,將所有樣本按豫南麥區、豫東麥區、北中西部麥區3類分別進行分析。從不同地區籽粒不完善粒與成熟前不同時段氣象條件的相關性示意圖來看(圖2),成熟前不同時期內的平均氣溫、平均最高氣溫、氣溫日較差與各地不完善粒顯著負相關;總降水量、累計降水日數與各地區不完善粒以正相關為主。由通過相關顯著性檢驗的氣象因子的個數和相關系數的絕對值大小可看出,成熟前10天的氣象條件對豫南地區不完善粒的影響尤其顯著,9項氣象因子中,除平均最低氣溫1項因子的相關性較低外,其他8項因子的相關性均通過顯著性檢驗,其中除平均氣溫以外的7項達極顯著相關;對豫東地區,3個分析時段中,成熟前20天內的氣象因子通過相關顯著性檢驗的最多,分別為成熟前20天內的連續降水日數(L)、平均氣溫(T)、平均最高氣溫(Tmax)、平均氣溫日較差(Td)、總降水量R和總降水日數(D),共6項。其他麥區的3個分析時段中,同樣表現為成熟前20天內的氣象因子通過相關顯著性檢驗的最多,與豫東地區不同的是,連續降水日數L與不完善粒相關性較小,可能是樣本采集年份這些地區的連陰雨特征不明顯;日照時數與空氣相對濕度對豫南和北中西部麥區的籽粒不完善粒分別呈負相關和正相關,而對豫東麥區則影響不顯著。

圖2 不同地區不同時段小麥成熟前氣象條件與不完善粒相關系數示意圖注:*和**分別表示相關系數通過0.05和0.01的顯著性水平檢驗。

2.4 影響不完善粒的主導氣象因子

根據2.3節確定的不同地區影響不完善粒的關鍵氣象因子,利用公式(2)-(6)確定各項因子的權重,見表5。 可以看出,豫南麥區,成熟前10天內連續降水日數所占權重最大,達0.34,其次為總降水量和總降水日數,這3項因子的影響權重之和占0.71,是影響豫南冬小麥籽粒發芽霉變的主導因子,而光溫因子和空氣相對濕度的權重相對較小。豫東麥區,成熟前20天內的總降水量、連續降水日數、平均氣溫和總降水日數的影響占前4位,影響權重之和超過0.81。北中西部麥區,成熟前20天內的總降水量、日照時數、氣溫日較差和總降水日數所占權重較大,且明顯大于其他因子,總和為0.80。由此可見,冬小麥成熟前的總降水量、總降水日數,是導致各區域籽粒不完善粒偏高的共性主導因子。不同地區比較,豫東地區成熟前平均氣溫偏低將明顯加劇籽粒的生芽或霉變,而北中西部麥區氣溫日較差和日照條件對不完善粒的影響不容忽視。

表5 不同麥區影響不完善粒的氣象因子權重

不完善粒是否超過8%是一、二等小麥與三等小麥的重要差別,也是判斷商品麥價值的關鍵因素。研究樣本中, 不同地區不完善粒>8%和≤8%的樣本對應的氣象條件通過了差異顯著性檢驗。表6列出了關鍵時段主導氣象因子的均值。分析表6可得出易導致各地區冬小麥不完善粒>8%的主導氣象條件:豫南麥區,成熟前10天內連續降水日數超過3天,總降水量超過70 mm、總降水日數大于6天;豫東麥區,成熟前20天內連續降水日數超過3天,總降水量超過90 mm,平均氣溫低于21 ℃,累計降水日數大于7天;北中西部麥區,成熟前20天內降水量大于65 mm,日照時數小于5 h,氣溫日較差不足10 ℃且累計降水日數大于6天。

表6 不同等級不完善粒樣本對應氣象因子均值

2.5 氣象條件危險性

2.5.1 不完善粒氣象條件危險性指數

除主導的氣象因子外,其他氣象條件雖然權重系數較小,但不代表其對籽粒不完善粒沒有影響。由于不同氣象因子之間的量級差異較大,構建氣象條件的分級函數利于消除量綱影響,便于不同區域間進行比較,也便于構建各區域適用的通用指標。(1)式中,不同氣象因子的分級函數E(Xi)賦值見表7,分別計算得出樣本資料對應的不完善粒氣象條件危險性指數。

表7 氣象因子分級賦值表

將不完善?！?%的樣本分類為1級,6%<不完善?！?%的樣本分類為2級,8%<不完善?！?0%的樣本分類為3級,超過10%的分類為4級。不完善粒分級樣本與氣象條件危險性指數有較好的對應關系,二者相關系數達0.5633,通過0.01顯著性水平檢驗。排序后的氣象條件危險性指數與不完善粒等級的關系見圖3。從圖3中可以看出,氣象條件危險性指數可以劃分為三個區間:當I≤4.1時,對應的氣象條件整體上對小麥籽粒質量提升有利,不完善粒氣象條件危險性相對較低;當4.15.8時,氣象條件對小麥質量極為不利,氣象條件危險性高(表8)。

表8 不完善粒氣象條件危險性指數

圖3 氣象條件危險性指數與不完善粒分級值的對應關系

2.5.2 指數檢驗

豫南麥區、豫東麥區和北中西部麥區氣象條件危險性指數與不完善粒分級值的相關系數分別為0.7598、0.5821和0.6568,均通過0.01的顯著性水平檢驗,說明所構建的指數能夠較好地反映籽粒質量與氣象條件的復合關系。抽取籽粒不完善粒偏大的2016年和籽粒品質整體較好的2021年樣本作檢驗,若不完善?！?%且危險性指數I≤4.1,或者不完善粒>10%且I>5.8,或者不完善粒>6%且4.1

視不完善?！?%的樣本對應氣象條件為危險性低,不完善粒>10%樣本對應氣象條件為危險性高,其他為危險性中等,檢驗結果見表9。2016年10組參與檢驗的樣本,判定結果一致性為80%;2021年的判定結果一致性為61%,該年份判定準確率偏低的主要原因是北中西部的部分市(縣)冬小麥成熟前出現了累計4～7天降水,導致氣象條件危險指數計算值偏高,而這一區域歷年不完善粒偏大的樣本數量較其他區域的少,一定程度上影響了構建指數的準確度。

表9 典型年份氣象條件危險性指標檢驗

3 結論與討論

3.1 結 論

(1)冬小麥不完善粒受氣象條件影響顯著。研究樣本中,冬小麥生芽率普遍偏高,是影響籽粒質量的重要因素。相關分析發現,冬小麥成熟前10-20天內的氣象條件對籽粒不完善粒有重要影響。其中,豫南麥區不完善粒受成熟前10天內氣象條件的制約最大,其他地區主要受成熟前20天內氣象條件的影響。

(2)不同地區冬小麥不完善粒受不同氣象因子的組合影響。利用相關顯著性氣象因子的影響權重系數判定,豫南麥區影響不完善粒的主導氣象因子為成熟前10天內的連續降水日數、總降水量和總降水日數,豫東麥區為成熟前20天內的總降水量、連續降水日數、平均氣溫和總降水日數,北中西部麥區為成熟前20天內的總降水量、日照時數、氣溫日較差和總降水日數。冬小麥成熟前的總降水量、總降水日數,是導致各區域籽粒不完善粒偏高的共性主導因子。

(3)構建的氣象條件危險性指數I與冬小麥籽粒不完善粒分級值的相關性通過0.01的顯著性水平檢驗,I>5.8表示小麥成熟前氣象條件危險性高,可能導致不完善粒超過8%,甚至超過10%。危險性指數的回代檢驗判定結果一致性為60%～80%,能夠一定程度上反映出不利天氣條件的復合影響,對服務指導小麥收獲期管理有一定的指示意義。

3.2 討 論

大量的研究已證實,氣溫、光照、降水等環境氣象因子會對冬小麥最終產量和品質的形成造成一定影響[21-24]。目前在小麥籽粒發芽霉變相關氣象條件的研究中,一部分集中在收儲過程中因谷物堆放的環境條件不適宜,導致已收獲入倉的小麥出現變質[25];少部分關于大田小麥發芽霉變氣象條件的研究中,認為收獲期對發芽率影響較大,收獲越晚時較高的溫度對春小麥穗發芽更適宜[26];杜世超[27]和倪芊芊[28]等認為溫濕相互作用對成熟期小麥穗發芽有顯著影響。從本研究的分析來看,除了降水日數和降水量這兩類公認的影響因子外,灌漿成熟的進程、氣溫、空氣相對濕度等要素均與不完善粒一定程度相關,與前人的分析結論存在共性。本研究的特色在于從不同麥區歷年不完善粒的表現特征中,結合當地多年平均氣候特點,以不完善粒8%為界分析總結出影響不完善粒的主導氣象因子的閾值,并構建了可定量評價復合氣象條件危險性的指標,比定性分析評述環境因素的影響更進一步,可為服務指導小麥收獲和收購提供科學參考,構建的危險性指數也可為研究麥收期氣象災害風險預警指標提供支撐。存在的問題一是氣象條件并不是導致不完善粒偏高的唯一因素,例如王震等[29]對不同生態區的137個小麥品種的鑒定結果表明,小麥相對發芽指數與籽粒長度、寬度呈極顯著正相關,成旭等[30]也發現小麥粒色、粒型、粒質等農藝性狀均與小麥的穗發芽率顯著相關,本研究暫無法完全分離出氣象的影響部分;二是本研究樣本中生霉粒偏高的樣本相對少,還有待積累更多樣本資料進一步確定氣象因子的影響。